钢管拱混凝土顶升法灌注施工技术

2014-11-26焦广彦JIAOGuangyan

价值工程 2014年8期

焦广彦JIAO Guang-yan

（中铁航空港集团第一工程有限公司，渭南 714000）

（The No.1 Engineering Co.，Ltd.of Airport Group of China Railway，Weinan 714000，China）

1 工程概况

西宝铁路客运专线咸阳西立交特大桥主桥采用（64+136+64）m 预应力混凝土连续梁与中孔钢管混凝土加劲拱组合结构上跨西宝高速公路，梁长264.3m，中跨桥面对称布设两道钢管混凝土系杆拱。每道拱肋截面全高3.0m，采用哑铃型截面形式，内充C55 无收缩混凝土。拱肋之间设1 道米字横撑、8 组K 撑。全高1.5m，采用直径φ100cm，壁厚δ＝16mm 的圆端形钢管。斜撑为外径φ90cm，壁厚δ＝12mm 的圆形钢管。拱肋上下钢管内灌注C55 无收缩混凝土，腹板间除拱脚面以外7m 范围腹腔、横撑与拱肋相交处2m 范围腹腔、吊杆与拱肋相交处2m 范围内灌注C55无收缩混凝土外，其余部分留空。单片拱肋混凝土方量为271.5m3，具体分布见表1。

表1 单片拱肋混凝土方量（m3）

钢管拱肋混凝土灌注分两阶段：第一阶段为预埋入梁体拱座内的拱肋钢管和腹板内混凝土，于拱肋第1 段吊装前不少于14d 灌注，泵送、人工振捣；第二阶段为剩余部分混凝土，先对称灌注拱肋下弦管内砼，混凝土强度达到设计强度的90%后，依次对称连续灌注拱肋上弦管内混凝土、腹腔混凝土，泵送顶升、免振自密。

2 施工难点

2.1 顶升灌注施工要求对称连续进行，即左右双侧拱肋对称、拱肋两端对称压注到顶，施工的设备、人员组织难度较大。

图1 拱肋混凝土灌注立面图

图2 拱肋混凝土灌注截面图

2.2 对混凝土坍落度、和易性要求较高。结合现场拌合站设置情况、混凝土运输设备、泵送设备情况，对混凝土的施工性能要求和掌握不易。

2.3 出浆口位于高速公路正上方，施工期间高速公路不封闭，若排浆措施不当，将影响公路行车。

3 顶升法施工工艺

3.1 工艺流程工艺流程：搭建施工平台→安装泵压设备→安装止浆阀→压清水→断开灌注接头→排污→连接灌注接头和闸阀→打开止浆阀→拧开排气孔螺栓→泵送砂浆→泵压混凝土→超过进料口1m 后打开排渣孔→排除正常混凝土后关闭→继续泵送混凝土→检测与监测→出浆管排浆→出匀质混凝土后停压5min 补压（2 次）→关闭止浆阀→拆除输送泵管→钢管拱表面冲洗→割除出浆管及进料口等并用钢板补焊。

3.2 混凝土配合比选定为便于施工，管内混凝土必须满足强度要求，通常要求初始坍落度稍大、坍落度经时损失小、初凝时间稍长、和易性好、不泌水离析。同时为与钢管套箍密贴，要求混凝土填充饱满、补偿收缩。本桥设计为C55 无收缩混凝土，原配合比见表2。

表2 原配合比

该配合比水胶比为0.29，设计坍落度160-200mm，实测初始坍落度180mm，含气量4.6%，扩展度为610mm；半小时后坍落度为165mm，含气量3.5%，扩展度430mm。泌水率及压力泌水率均为0%。验证认为混凝土粘稠度较大，且坍落度、扩展度损失较大，不利于压注施工。为此对配合比进行了试验调整，见表3。

表3 调整后配合比

调整后配合比除增大了2%砂率外，主要调整了外加剂的减水率、缓凝及引气组份。调整后配合比初始坍落度240mm，扩展度630mm，含气量5.1%；1h 后坍落度240mm、扩展度600mm、含气量4.3%，混凝土具有较好的流动性和保坍性。

3.3 泵送工艺及施工组织泵送工艺主要包括泵送顺序、输送管配管设计、泵送设备选型与布置、进料口与出料口设置、排气措施设计、振捣系统设置等方面。

3.3.1 泵送方案选择哑铃形拱肋由两根钢管和一个腹腔组成，其混凝土灌注顺序有三种：管-腔-管、管-管-腔、腔-管-管。一般而言，泵送混凝土的内压力产生的截面应力远大于混凝土自重产生的应力，且最大应力发生在钢管与腹面板的相交处，施工顺序选择失当，易在最大应力处开裂。相比较，第二种施工顺序，即管-管-腔为最优方案，第三种腔-管-管施工顺序，其截面受力最为不利，施工中应尽量避免。

为防止拱肋在灌注腹腔内混凝土时出现爆管，本桥设计采用如下预防措施：①于腹板处设对拉杆和型钢加劲，改善腹板受力；②在灌注采取了管-管-腔的施工顺序；③腹腔混凝土分仓灌注以减小腹腔内的混凝土流体压力。

3.3.2 输送管配管设计结合本工程特点、场地条件、顶升灌筑方案等选型、布置。

①输送管管径选择。输送管的管径大小根据粗骨料最大粒径、混凝土输出量和输送距离以及拌合物性能等进行选择。《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T10-2011）表3.5.2给出了混凝土输送管管径与粗骨料最大粒径的关系（表1）。

表4 混凝土输送管管径与粗骨料最大粒径的关系

本桥选用粒径为5～20mm 的陕西北山碎石作为粗骨料，最大粒径小于25mm，故输送管选用内径125mm 的高压管。另据对国内钢管混凝土桥工况调查，灌注混凝土时亦多用125mm 高压输送管。

②输送管配管。泵送压力与输送管长度成正比关系，管道换算长度越长，所需的泵送压力越大。同时泵送过程中混凝土与管壁间的摩擦力会抵消部分泵送压力，管道越长，压力损失越大。所以输送管应根据工程和施工场地特点、混凝土输送方案进行配管，配管时宜尽量缩短长度、少用弯管和锥管，以减小泵送阻力。

垂直配管时随高度增加，混凝土势能增大，回流明显，按规程敷设水平管消阻混凝土回流。本桥配管情况如表5所示。

表5 配管情况

3.3.3 泵送设备选型与布置混凝土泵送设备要求性能可靠，否则影响混凝土连续灌注。泵送设备选型时，首先计算了混凝土由地面泵送至拱顶所需的泵送压力、再取用1.5 倍的计算压力、泵压小于4Mpa 选择泵送设备，最后选定HBT80-1818 型混凝土拖泵和SY5125THB-9018 型混凝土车载泵。

表6 泵车技术参数

如图3，在既有高速公路两侧4 个拱脚位置根据对称灌注要求各安设1 台，备用2 台，即4+2 设置。分设于两侧的双120 混凝土拌合站（2#、3#站）供应，最远距离8km,按顶升作业连续进行能够保证的原则计算混凝土运输能力，确定运输罐车数量，并按20%数量备用，工前按照运输路线试跑确认。

图3 泵车布置图

3.3.4 进料口与出浆口设置

①进料口设置。输送管进料口开设在距拱座顶面2～2.5m 处，原设计为φ200mm 钢管作为进料管，考虑方便与输送管的连接，实际施工中采用与输送管同型号泵管制作进料管。对上弦管，设在拱肋上方；对下弦管及拱脚腹板，进料口开设在拱肋侧面。进料导管与钢管拱轴线成30 度角焊接，以减小灌注阻力，保证灌注混凝土顺畅，接口处用小角钢作加劲处理。每道拱肋进料口对称布置。

图4 进料管示意图

图5 进料口管道布置

为防止拆管时混凝土回流，在每个进料导管上设置止浆阀，本桥采用输送管配套止浆阀。

②备用进料口设置。为了避免施工中可能出现泵送顶力不足或其他意外情况发生，对上弦管，在主拱1/3 矢高及2/3 矢高处对称设置第二级和第三级备用进料口。对下弦管，在拱肋1/2 高度对称设置两个备用进料口。

③排气管设置。上弦管排气管设置：拱顶隔仓板两侧20cm 处。下弦管排气管设置：拱顶隔仓板两侧60cm 处。拱脚腹板：腹腔最上端侧面。排气管采用外径φ200mm 钢管，长度0.7m～1m，与管壁和腹板焊接。左右拱肋腹板和下弦管排气管均设于面向桥面一侧。

图6 止浆阀

图7 排气管

表7 排气管数量表

3.3.5 排气措施混凝土在高速泵送过程中，管道出口呈射流状态，混凝土内有大量气体，呈气泡状随浮浆上浮集于拱顶的管腔上部，在管内流动漫过排气管口时易堵塞排气管。此时若继续向肋腔内泵入混凝土，将引起管内空腔混凝土压缩，当钢管焊缝达到极限强度时，拱肋钢管爆裂，引发事故。

为减低管内空气压力，于上弦管顶面、下弦管侧面间隔10m～15m 设直径25mm 排气孔，孔外侧焊接27mm 螺母，排气孔出浆时，旋紧螺栓封堵排气孔。终凝后旋下螺栓，割除螺母并补焊处理。

3.3.6 辅助振捣单弦管顶升灌注施工时，在拱脚1/3、1/2、2/3 拱肋处各安装2 个ZF75-150 型附着式振动器辅助振捣，确保混凝土顶升排气顺畅、混凝土压注密实。

图8 排气孔

图9 附着式振动器

3.3.7 过程监测混凝土灌注达到的高度由计算确定，之外尚需敲击听音确认以协调同步，敲击拱肋管身主要用以检查混凝土与管壁是否存在较大空腔和空隙，在发现确认后及时标示并采取附着补振或其他措施消除，这一常用方法要求一定的经验；过程中预埋传感监测系统用于后期进行无损超声检测，监测由兰州交通大学实施。

3.3.8 其他措施 ①混凝土输送管道布设，本着前述原则，减少弯管数量，泵口平管在墩位处接立管至拱角，沿拱背布设至靠近拱顶的备用进料口。②确保连续供应混凝土，混凝土供应间断时，保证泵前始终有一车混凝土，每短时间隔即泵送一次直至后续混凝土运至，或由其他顶升压注混凝土的工作面调配解决。总之输送泵承料斗内保持足够混凝土以防空泵，引起堵管或虽未堵管而将空气泵入拱肋钢管产生空腔，影响施工质量或造成后期处置困难。③拱顶排气管开始出浆时，保持压注混凝土，至全部排出浮浆并排出粗骨料匀质混凝土时停泵。两侧及同一拱肋确保对称或基本同步，即两侧混凝土基本同步压注至顶，拱顶排气孔相继出浆。④泵送结束后关闭止浆阀，拆除输送管进行清洗，钢管拱肋覆盖洒水养护。

4 施工预案及组织保证措施

4.1 拌合站、运输车及混凝土泵等配备混凝土拌合站、运输车和混凝土泵的备用安排为，以稍远的1#拌合站作为备用拌合站，2#和3#站除在途、机口及泵口混凝土运输车外各备2 台，压注施工现场备两台车载泵。故障时启用接替。

4.2 电力故障处治各拌合站备1 台250Kw 的发电机，现场备2 台150Kw 的发电机。施工前与供电部门联系保证灌注过程中不断电。意外断电则自发电接用，施工前进行线路检查、检修。

4.3 材料供应计算每次灌注混凝土所需材料数量，检查确认。

4.4 泵管堵塞处治混凝土骨料粒径须符合要求，站内试验员负责严控混凝土质量；泵送混凝土前清水润滑管道，并先送砂浆，再送混凝土；于每处拱脚管道旁安设备用管道，并于现场配备输送管的水平管、弯管、变径管、管卡和橡胶垫圈。输送压力渐增而承料斗料位不降，管道出口不出料伴有泵身、管路强烈振动或位移时，判作管道堵塞。多发于弯管、锥管，以及有振动的地段。可用小锤沿管路敲打听音确定位置。

遇堵管时立即采取反复进行正、反转泵的方法，使混凝土吸回承料斗再输送。也可用木锤敲击的方法，结合正、反转泵疏通。上法无效时立即关闭进料口止浆阀、连接备用泵管、打开止浆阀继续泵送。处理速度要快，一般在30min 内完成。将堵塞的泵管拆下、清理、备用。

4.5 泵管爆卡处治泵管管卡脱落时立即停泵、关闭止浆阀、更换管卡、重启止浆阀，继续泵送。

4.6 钢管堵塞处治确认拱肋钢管堵塞无法泵送时，查明混凝土灌注位置，启用备用口（应保证备用口上方管内5m 以上的混凝土柱，不可倒灌入管），接入泵管继续灌注。

4.7 组织保证现场统一指挥，人员按既定分工，各司其责且相互联系配合，项目生产副经理总指挥、拌合站各一名试验员、各泵前一名试验员、双侧拱肋各两名技术员负责施工指挥监测和安排配合人员作业、各作业面配合6人接拆管路、堵孔、加固等，安排测量人员施工中对拱轴线、拱顶高程变化、梁面监测监控。